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半導體晶圓PL光譜測試系統

半導體晶圓PL光譜測試系統針對第三代半導體，如GaN、InGaN、AlGaN等，進行溫度相關光譜和熒光壽命測試。同時可測量外延片的膜厚、反射率及相應的Mapping圖。
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產品概述
面向半導體晶圓檢測的光譜測試系統
 
熒光測試
熒光光譜的峰值波長、光譜半寬、積分光強、峰強度、熒光壽命與電子/空穴多種形式的輻射復合相關，雜質或缺陷濃度、組分等密切相關
膜厚&反射率&翹曲度
通過白光干涉技術測量外延片的薄膜厚度（Thickness）、反射率(PR)以及晶片翹曲度
熒光光譜
系統特點
面向半導體晶圓檢測的光譜測試系統
光路結構示意圖
自動掃描臺：兼容2寸、4寸、8寸晶圓
可升級紫外測量模塊、翹曲度測量模塊
側面收集模組：用于AlGaN樣品（發光波段200-380 nm），因為AlGaN輕重空穴帶反轉使其熒光發光角度為側面出光，因此需要特殊設計的側面收光模塊。
翹曲度測量模塊
翹曲度測量模塊集成在顯微鏡模組中，利用晶圓表面反射回的375nm激光，利用離焦量補償實現表面高度的測量，對晶圓片的高度掃描后獲得晶圓形貌，從而計算翹曲度的數值。
該模塊不僅可以測量晶圓的形貌和翹曲度，同時還可以起到激光自動對焦的作用，使得晶圓片大范圍移動時，用于激發熒光的激光光斑在晶圓表面始終保持最佳的聚焦狀態，從而極大的提供熒光收集的效率和分辨率。

物鏡

5x

NA=0.28

20x

NA=0.40

100x

NA=0.8

離焦量z分辨率

< 1 μm

< 0.5 μm

< 0.06 μm

激光光斑尺寸（焦點處）

~2 μm

~2 μm

~1 μm

測量時間（刷新頻率）

< 20 ms(50 Hz），可調節最高100 Hz
紫外測量模塊
紫外測量模塊的功能主要由集成在顯微鏡模組中的5x紫外物鏡和側面收集模塊實現。可選擇213nm或266nm的激光進行激發，聚焦光斑約10微米，可選擇通過該物鏡收集正面發射的熒光，通過單色儀入口1進行收集和測量。
針對AlGaN的發光波段（200-380nm），尤其是Al組分較大（70%）的AlGaN由于輕重空穴帶反轉，其熒光發光角度為側面出光，因此設置側面收集模組，將側面發出的熒光通過一個單獨傾斜60度角的物鏡收集后，通過光纖傳入單色儀入口2進行收集和測量。
可通過翹曲度模塊對晶圓片形貌進行測量后，再進行紫外熒光測量時，根據記錄的形貌高度，Z軸移動實現晶圓片高度方向的離焦量補償，使得晶圓片大范圍移動時，激光光斑在晶圓表面始終保持最佳的聚焦狀態，從而極大的提供熒光收集的效率和分辨率。
軟件界面
晶圓Mapping軟件界面 
數據分析軟件界面
應用案例
6英寸AlGaN晶圓測試
隨著AlGaN中Al所占比例的增加，可看到發光峰位出現了藍移，當Al的含量占到70%的時候，峰位已經藍移至238nm。對AlGaN晶圓進行Al組分比例面掃描，可以看到晶圓中Al的組分分布情況。
MicroLED微區PL熒光光譜Mapping
MicroLED微盤，直徑40微米。圖（A）：熒光PL Mapping圖像，成像區域45×45微米；圖（B）：圖（A）所示紅線，m0-m11點，典型熒光光譜。

MicroLED微盤的熒光強度3D成像
 
2英寸綠光InGaN晶圓熒光光譜測試
從InGaN的峰強分布來看，在晶圓上峰強分布非常不均勻，最強發光大約位于P2點附近，而有些位置幾乎不發光。發光峰位在500-530nm之間，分布也很不均勻。波長在510nm（P2位置）發光最強。波長越靠近530nm（P1位置），發光越弱。
2英寸綠光InGaN晶圓熒光壽命測試
從以上熒光壽命成像得到，綠光InGaN熒光壽命在4ns-12ns之間。沿著P1-P3白線，熒光壽命減小。
從晶圓上分布看，熒光壽命與熒光強度成像的趨勢大致相符，而且峰位有明顯關聯。即沿著峰位藍移方向（藍移至500nm），熒光發光強度增強而且壽命增加，說明輻射復合占據主要比例。而沿著峰位紅移的方向（藍移至530nm），發光強度減弱，同時壽命減小，說明非輻射復合占據主要比例。
 
面向半導體晶圓檢測的光譜測試系統
性能參數：

熒光激發和收集模塊

激光波長

213/266/375 nm

激光功率

213nm激光器，峰值功率＞2.5kw@1KHZ，266nm激光器，輸出功率2-12mw可調

自動對焦

•    在全掃描范圍自動聚焦和實時表面跟蹤

•     對焦精度<0.2微米

 

顯微鏡

•用于樣品定位和成像

•近紫外物鏡，100X/20X，用于375nm激光器,波長范圍355-700 nm
•紫外物鏡, 5X,用于213 nm/266nm的紫外激發, 200-700 nm

 

樣品移動和掃描平臺

平移臺

•掃描范圍大于300x300mm。

•最小分辨率1微米。

 

 

樣品臺

•8寸吸氣臺（12寸可定制）

•可兼容2、4、6、8寸晶圓片

 

光譜儀

探測器

 

光譜儀

•320 mm焦長單色儀，可接面陣探測器。

•光譜分辨率：優于0.2nm@1200g/mm

 

可升級模塊

翹曲度測量模塊

重復測量外延片統計結果的翹曲度偏差<±5um

紫外測量模塊

5X紫外物鏡，波長范圍200-700 nm。應用于213 nm、266nm的紫外激發和側面收集實現AlGaN紫外熒光的測量

膜厚測試模塊

重復測量外延片Mapping統計結果的膜厚偏差<±0.1um

熒光壽命測試模塊

熒光壽命測試精度8 ps，測試范圍50 ps-1 ms

軟件

控制軟件

可選擇區域或指定點位自動進行逐點光譜采集

Mapping數據分析軟件

•可對光譜峰位、峰高、半高寬等進行擬合。

•可計算熒光壽命、薄膜厚度、翹曲度等。
•將擬合結果以二維圖像方式顯示。

 
 
面向半導體晶圓檢測的光譜測試系統
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